Warum werden Ladungspumpen nur für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet?

11

Typischerweise sind die Induktoren die teuersten (und schwer zu beschaffenden) Elemente in einem SMPS. Daher habe ich mich gefragt, ob es möglich ist, Schaltnetzteile ohne Induktor (dh Ladungspumpen) für allgemeine Anwendungsfälle zu verwenden, z. B. ein Tischnetzteil, feste Hochleistungs-DC / DC-Wandler (mehrere Ampere und einige hundert Watt Leistung) ), etc.

Alle Ladungspumpendesigns, die ich finden konnte, waren für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Was hindert einen daran, ein Hochleistungsnetz ohne Induktivität zu entwickeln? Gibt es einige inhärente physische Einschränkungen?

Ali Alavi
quelle
3
Ich vermute, dass Induktivitäten mehr Energie pro Volumen- / Kosteneinheit speichern können als Kondensatoren. Versuchen Sie die Berechnung auf der Rückseite einer Hüllkurve für die Größe der Kondensatoren, die Sie für eine hypothetische Ladungspumpe benötigen würden.
pjc50
2
Haben Sie für diese Kondensatoren einen realistischen ESR (Serienwiderstand) angegeben? Simulatoren sind wie Papier: Sie können alles zum Arbeiten bringen / nicht bearbeiten
;-)
1
Ein ordnungsgemäß gebautes Schaltnetzteil benötigt eine Leiterplatte, und diese Leiterplatte ist wahrscheinlich die teuerste und am schwersten zu beschaffende, da Sie sie entwerfen müssen!
Andy aka
1
@Andyaka Die Leiterplatte ist weder das teuerste noch das am schwersten zu beschaffende Produkt.
Ali Alavi
4
Ein 10uF-Kondensator, der 10A liefert, fällt ein Volt pro Mikrosekunde ab. Bei einer Schaltfrequenz von 50 kHz würden Sie eine 100% ige Welligkeit betrachten.
Supercat

Antworten:

20

Es gibt zwei Probleme mit Ihrer Idee. Eine praktische und eine grundlegende.

Das praktische Problem besteht darin, dass pro Menge gespeicherter Energie Kondensatoren teurer sind als Induktivitäten, und obendrein altern die Kondensatoren mit wirklich hoher Kapazität (Elektrolyt).

Das grundlegende Problem besteht darin, dass das Laden eines Kondensators von einer Spannungsquelle grundsätzlich verlustbehaftet ist (Sie leiten Wärme ab). Dies mag kontraintuitiv erscheinen, ist aber dennoch wahr. (Vor einiger Zeit gab es eine Frage dazu.) Daher ist ein Spannungswandler mit fliegendem Kondensator, selbst ein idealer, von Natur aus ineffizient. (Ein idealer Spannungswandler auf Induktorbasis ist zu 100% effizient.)

Sie mögen es seltsam finden, dass die Welt gegenüber Kondensatoren unfair ist, aber das ist unsere menschliche Schuld: Wir liefern Strom hauptsächlich aus Spannungsquellen. Für Stromquellen gilt das Gegenteil: Ein idealer Stromrichter aus fliegenden Kondensatoren kann zu 100% effizient sein, während einer aus Induktivitäten notwendigerweise verlustbehaftet sein muss.

Wouter van Ooijen
quelle
Vielen Dank. Ich kann mir nicht vorstellen, dass Kondensatoren teurer sind als Induktivitäten (in einer SMPS-Einstellung). Ich habe die Erfahrung gemacht, dass ich zumindest für geringe Mengen einige Berechnungen durchführen, bestimmte Adern und Drähte kaufen und den Draht selbst um den Kern wickeln muss. Es ist sehr zeitaufwändig. Während ich mit einem Kondensator zusammen bin, kaufe ich einfach einen fertigen. Auf der anderen Seite bin ich ein absoluter Neuling in der SMPS-Domäne, daher gibt es wahrscheinlich bessere Möglichkeiten.
Ali Alavi
Sie können sicher fertige Induktoren kaufen! Aber beachten Sie meinen zweiten Punkt: Ein spannungsbasierter Spannungswandler ist von Natur aus verlustbehaftet. Daran führt kein Weg vorbei.
Wouter van Ooijen
Sieht so aus, als hätte ich im Wesentlichen dasselbe gesagt. Später. Hoppla.
Spehro Pefhany
2
Huh, schön (+1 ist überall.) Ist das die vorherige Frage? electronic.stackexchange.com/questions/54992/… . Ich wusste über Kappen und Spannungsquellen Bescheid ... habe aber nie wirklich darüber nachgedacht!
George Herold
1
@Agent_L Oh, ich meinte eine Referenz für weitere Details, wie Induktoren von Hand angepasst werden können, keine Referenz, um Ihre Behauptung zu stützen :)
Ali Alavi
4

Kondensatoren wären besser, wenn Quelle und Ausgang Konstantstrom wären. Sie können den Kondensator aufladen, bis die Spannung auf ein bestimmtes Niveau angestiegen ist, und dann den Kondensator in die Lastimpedanz entladen, um einen konstanten Ausgangsstrom aufrechtzuerhalten. Sie würden eine große Induktivität als Ausgangsfilter verwenden, um den Ausgangsstrom konstant zu halten.

Da unsere Quellen eine konstante Spannung haben und wir normalerweise eine konstante Ausgangsspannung wünschen, ist es sinnvoller, Induktoren zum Speichern von Energie und Kondensatoren zum Filtern zu verwenden.

Beachten Sie, dass alle effizienten Schaltnetzteile sowohl Kondensatoren als auch Induktivitäten haben.

Ja, Ladungspumpen (fliegender Kondensator) können eine Spannung aufnehmen und bewegen, umdrehen, sogar mit ganzen Zahlen und dergleichen multiplizieren, aber jedes Mal, wenn Sie einen Kondensator über einen Widerstandsschalter laden oder entladen, verlieren Sie einen Teil der Energieänderung des Kondensators im Schalter selbst - eine größere Spannungsänderung bedeutet mehr Verluste. Ein Schalter mit niedrigerem Widerstand bedeutet nur, dass die für eine bestimmte Spannungsänderung verlorene Energie auf eine kleinere Zeitspanne komprimiert wird, die Summe bleibt konstant.

Spehro Pefhany
quelle
"Jedes Mal, wenn Sie einen Kondensator über einen Widerstandsschalter laden oder entladen, verlieren Sie die Hälfte der Energieänderung des Kondensators im Schalter selbst." Dies ist der Fall, wenn Sie den Kondensator jedes Mal vollständig laden und entladen. Wenn Sie es nur teilweise entladen, können Sie es besser machen.
Peter Green
@PeterGreen "Energieänderung" nicht Gesamtenergie.
Spehro Pefhany
Nehmen wir an, ein 1-Farad-Kondensator beginnt bei 5 V und wird über einen Widerstand von einer 6-V-Quelle auf 6 V aufgeladen. Energie im Kondensator vor = 0,5 * 1 * 5 * 5 = 12,5. Energie im Kondensator nach = 0,5 * 1 * 6 * 6 = 18. Dem Kondensator zugeführte Energie = 18-12,5 = 5,5. Energie aus der Versorgung = (6-5) * 1 * 6 = 6. Es gehen nur 0,5 Joule Energie verloren, um dem Kondensator 5,5 Joule Energie hinzuzufügen.
Peter Green
Wenn Sie einen Kondensator über einen Widerstand von Null auf Voll laden, verlieren Sie zwar die Hälfte der Energie, aber das Verhältnis von hinzugefügter Energie zu Energieverlust ist nicht konstant. Das frühe Stadium der Ladung ist sehr verlustbehaftet, das späte Stadium sehr effizient.
Peter Green
1
"Sie könnten den Kondensator aufladen, bis die Spannung auf ein bestimmtes Niveau angestiegen ist, und dann den Kondensator in die Lastimpedanz entladen, um einen konstanten Ausgangsstrom aufrechtzuerhalten." - Wie sich herausstellt, ist dies nur ein Tiefsetzsteller mit einem zusätzlichen Kondensator am Eingang .
user253751
2

Wenn zwei Kondensatoren oder Reihen von Kondensatoren mit unterschiedlichen Spannungen miteinander verbunden werden, werden ihre Ladungen auf eine Weise gemittelt, die die darin gespeicherte Energiemenge verringert. Wenn sie unter Verwendung eines Induktors angeschlossen werden, wird die überschüssige Energie auf diesen Induktor übertragen und kann anschließend einem nützlichen Zweck zugeführt werden. Wenn die Verbindung rein resistiv ist, wird die Energie zu 100% in Wärme umgewandelt. Durch Minimieren des Widerstands wird der Energieverlust nicht verringert. Dadurch wird lediglich die dafür erforderliche Zeit verkürzt.

Folglich müssen die Kondensatoren groß genug sein, damit eine Ladungspumpe effizient ist, so dass die Spannung über ihnen niemals sehr stark variiert. In Fällen, in denen eine Ladungspumpe nicht viel Energie fördern muss, kann ein linearer Regler am Ausgang verwendet und die Spannung so weit erhöht werden, dass die Ausgangsspannung unter ungünstigsten Welligkeitsbedingungen immer noch hoch genug ist, um die Regelung, aber den Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten wird durch das Verhältnis der Lastspannung zum Boost-Verhältnis zur Quellenspannung begrenzt.

Superkatze
quelle
0

Es gibt einige Probleme mit Ladungspumpen.

  1. Sie können nicht gleichzeitig Effizienz und Spannungsregelung bieten. Die einzige Möglichkeit, die Ausgangsspannung so zu regeln, dass sie während Schwankungen der Eingangsspannung und der Last konstant bleibt, besteht darin, eine absichtliche Ineffizienz einzuführen.
  2. Der Strom muss während des Lade- und Entladeteils des Zyklus durch zwei Schaltelemente (Dioden oder Transistoren) fließen (während bei einem Buck- oder Aufwärtswandler jeweils nur ein Schaltelement durchlaufen werden muss).
  3. Der Wirkungsgrad hängt stark vom gewünschten Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung ab. Wenn Sie beispielsweise einen 1,5-fachen Spannungswandler herstellen möchten, müssen Sie entweder eine komplexe mehrstufige Anordnung verwenden oder einen 2-fachen Wandler herstellen und ihn in einem absichtlich ineffizienten Modus betreiben.
Peter Green
quelle
Zu Punkt 3 ist jedes ganzzahlige Verhältnis ohne viel zusätzliche Komplexität effizient möglich. Laden Sie die Kappen für das 1,5-fache in 2er-Reihenanschlüssen (so dass jeder das 0,5-fache der Versorgungsspannung sieht) und entladen Sie sie in 3er-Reihen.
Nate S.